Underwriters Laboratories przeprowadziło podstawowe badania w dziedzinie bezpieczeństwa i opublikowało wyniki tych badań w serii „Biuletynów Badawczych”. Opublikowano co najmniej 58 biuletynów dotyczących ognia, eksplozji i porażenia prądem. Jeden z tych biuletynów, „Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence”, jest klasycznym dokumentem w dziedzinie bezpieczeństwa produktów. Badania zostały przeprowadzone w latach 1936-1939 przez Barona Whitakera, asystenta inżyniera elektryka w UL. Whitaker ostatecznie wstąpił na stanowisko prezesa UL.
Badania Whitakera trwają do dziś. Chociaż podobne badania zostały przeprowadzone w celu wsparcia nowoczesnych publikacji IEC, takie badania są zwykle publikowane tylko w dokumentach komitetu IEC i są zwykle bardzo skoncentrowane na konkretnej normie lub raporcie, który IEC próbuje napisać.
Ten Biuletyn Badań UL na temat ogrodzenia elektrycznego zawiera wiele informacji, które mają zastosowanie do znacznie więcej niż tylko ogrodzenia elektrycznego. Dlatego jest to praca klasyczna.
INTRODUCTION
Whitaker wprowadza swoje badania opisując ogrodzenie elektryczne: „Jednym z najnowszych i najbardziej nowatorskich zastosowań elektryczności w dzisiejszych obszarach wiejskich jest ogrodzenie elektryczne. Fizycznie, ogrodzenie elektryczne różni się od konwencjonalnego typu ogrodzenia z drutu kolczastego lub tkanego w tym, że ma prostszą konstrukcję (zwykle z jednego drutu) i nie wymaga wytrzymałości mechanicznej lub stabilności starszych typów. Funkcjonalnie różni się tym, że kontroluje zwierzęta poprzez strach, a nie poprzez siłę lub powodowanie bólu. Ogrodzenie elektryczne składa się z dwóch odrębnych części, a mianowicie z drutu ogrodzeniowego i sterownika elektrycznego, który dostarcza energię elektryczną do drutu ogrodzeniowego.”
CEL I WARUNKI
Whitaker studiował raporty z wypadków związanych z ogrodzeniem elektrycznym, obejmujące zarówno obrażenia spowodowane porażeniem prądem, jak i śmierć spowodowaną porażeniem prądem. Na podstawie swoich badań stwierdził, że ogrodzenie elektryczne powinno być bezpieczne dla dwuletniego dziecka, „…boso, stojącego w kałuży wody lub błota i przewracającego się przez drut lub chwytającego go dwiema mokrymi lub spoconymi rękami, przy czym drut, o ile dziecko wie, jest zwykłym nienaelektryzowanym drutem ogrodzeniowym.”
(Anegdotycznie, kolega, którego dom jest gospodarstwem rolnym i używa ogrodzeń elektrycznych, zgłosił, że były to warunki, w których jego żona uratowała jego córkę!)
W tych warunkach, Whitaker chciał określić maksymalną wartość prądu, zarówno dla ac i dc, częstotliwość i czas trwania, które „można uznać za nie stanowiące zagrożenia dla życia ludzkiego.”
Whitaker podjął się wyznaczenia wartości dla:
- Oporności elektrycznej ciała
- Bezpiecznego napięcia otwartego obwodu
- Wpływu prądu stałego, przerwanego prądu stałego, prądu ac, i częstotliwość prądu przemiennego
- Maksymalne natężenie i czas trwania, które nie spowodują obrażeń ciała
- Minimalny czas wyłączenia
NATURA SZOKU ELEKTRYCZNEGO
Whitaker zbadał różne przyczyny śmierci spowodowanej energią elektryczną. Znalazł pięć różnych przyczyn:
- Paraliż mięśni oddechowych, powodujący śmierć z powodu asfiksji
- Krwotok, spowodowany wzrostem ciśnienia krwi podczas przepływu prądu elektrycznego
- Niewydolność serca, spowodowana migotaniem komór
- Niewydolność oddechowa, wywołana przez zahamowania nerwowe lub rzeczywiste uszkodzenia układu nerwowego
- Oparzenia skóry i ciała, z wynikającymi z tego powikłaniami
Badania Whitakera były ukierunkowane na zapobieganie jednemu lub więcej z tych urazów. Nie zajmował się on zapobieganiem doznaniom ani zapobieganiem działaniom odruchowym, jak to ma miejsce w przypadku dzisiejszych produktów. Ponadto producenci ogrodzeń elektrycznych twierdzili, że skuteczne ogrodzenie powinno zapewniać wystarczający prąd, aby wywołać skurcz mięśni, a okres „wyłączenia” powinien być jak najkrótszy.
OPORNOŚĆ ELEKTRYCZNA CIAŁA
Whitaker rozpoczyna swoje rozważania na temat oporności ciała od stwierdzenia: „Niezbędne do ustalenia bezpiecznej charakterystyki działania kontrolerów ogrodzeń elektrycznych jest rozważenie ludzkiego ciała jako przewodnika elektryczności.”
Whitaker rozpoczął serię testów w UL w celu zmierzenia oporności ciała. Whitaker twierdzi, że „zewnętrzna skóra… oferuje największy opór…” i że wysokie napięcie sterownika ogrodzenia przełamuje opór skóry. Jednak Whitaker nie mógł zastosować wysokiego napięcia, przy nieograniczonym natężeniu prądu, do swoich obiektów, aby „przełamać” opór skóry. Dlatego też eksperymenty Whitakera obejmowały zwilżanie dłoni i stóp badanych 20% roztworem chlorku sodu.
Przy stałej powierzchni, stałym ciśnieniu i mokrych dłoniach Whitaker stwierdził, że opór ciała był niezależny od natężenia prądu, gdy natężenie prądu mieściło się w zakresie od 1 do 15 miliamperów.
Ustawa testowa Whitakera składała się z 12-woltowego źródła prądu stałego (suche ogniwa), potencjometru, woltomierza i amperomierza. Elektrodami ręcznymi były druty AWG nr 10. Elektrodę nożną stanowiła 14-calowa kwadratowa płytka miedziana. Potencjometr był ustawiony na 5 miliamperów dla dorosłych i 1 miliamper dla dzieci. Napięcie przez obiekt został zmierzony, a opór obliczony.
Whitaker zmierzył 40 dorosłych i 47 dzieci (w wieku od 3 do 15 lat). Stwierdził, że dla dorosłych „nie ma tendencji lub zależności między oporem ciała osób i ich płci, wieku, wzrostu lub wagi.” Histogramy różnych pomiarów Whitakera przedstawiłem na rysunkach 1 i 2.
Rysunek 1
Rysunek 2
Na podstawie tych danych stwierdził, że „najniższy opór ciała, z jakim można by się liczyć w związku z zastosowaniem ogrodzenia elektrycznego, nie byłby mniejszy niż 500 omów.”
(W późniejszym Bulletin of Research, te same dane zostały wykorzystane przez Karla Geigesa do opracowania niesławnego miernika prądu upływu. Dokonam przeglądu pracy Geigesa w jednym z przyszłych numerów.)
VOLTAGE
Whitaker potrzebował określić dwa czynniki w odniesieniu do napięcia:
- Jeśli prąd wyjściowy jest ograniczony, czy napięcie obwodu otwartego musi być kontrolowane?
- Jeśli prąd wyjściowy nie jest ograniczony, jakie jest maksymalne napięcie obwodu otwartego?
Whitaker określił, że maksymalne bezpieczne napięcie (ze źródła napięcia, w którym prąd wyjściowy nie jest ograniczony) to takie napięcie, które nie powoduje obrażeń ciała i pozwala osobie uwolnić się z ogrodzenia.
Whitaker podaje serię testów, przeprowadzonych na pracownikach UL w 1930 roku, które, nawiasem mówiąc, zarejestrowały napięcie, które osoba może wytrzymać i nadal dobrowolnie kontrolować swoje mięśnie. Z tych danych wynika, że minimalne napięcie wynosiło 20 V rms.
Whitaker donosi również o testach przeprowadzonych przez International Harvester Co. gdzie napięcie było podłączone do wiadra wypełnionego wodą i do elektrody ręcznej trzymanej przez osobę badaną. Osoba badana była następnie proszona o wyciągnięcie przedmiotu zanurzonego w wiadrze. Firma International Harvester stwierdziła, że maksymalne napięcie umożliwiające wyciągnięcie przedmiotu wynosiło od 12 do 20 V.
Whitaker doszedł do wniosku, że „napięcie obwodu otwartego nie musi być ograniczone, pod warunkiem, że urządzenie zawiera nieodłączne cechy ograniczające prąd.”
Jednakże „w przypadku, gdy urządzenie nie zawiera nieodłącznych cech ograniczających prąd, maksymalne bezpieczne napięcie… nie powinno przekraczać 12. Opiera się to na teorii, że potencjał 12 woltów lub mniejszy rzadko, jeśli w ogóle, spowoduje załamanie oporu skóry wystarczające do przepływu prądu przez ciało o takiej intensywności, która spowoduje brak kontroli mięśniowej lub fizyczne obrażenia osoby.”
CZĘSTOTLIWOŚĆ
Whitaker podaje, że „główną różnicą w fizycznym działaniu prądu stałego, w porównaniu z prądem zmiennym, jest to, że prąd stały nie powoduje skurczu mięśni w stopniu związanym z prądem zmiennym.”
Whitaker zauważa również, że zarówno Kouwenhoven jak i d’Arsonval stwierdzili, że wraz ze wzrostem częstotliwości, natężenie prądu musi również wzrosnąć, aby wywołać ten sam efekt fizjologiczny.
Niemniej jednak Whitaker konkluduje, że „nie ma obecnie uzasadnienia dla dopuszczania większych wartości prądu… niezależnie od zastosowanej częstotliwości.”
Prąd
Na podstawie tych samych danych, w których Whitaker określił maksymalne napięcie oraz na podstawie innych danych, Whitaker określił, że minimalne i maksymalne wartości, przy których osoby zachowują dobrowolną kontrolę nad mięśniami wynoszą odpowiednio około 6 miliamperów i 20 miliamperów.
Whitaker badał również wyniki testów prądu fibrylującego na psach i owcach, ponieważ uważano, że serca tych zwierząt mają taką samą reakcję na bodziec jak ludzkie. Na podstawie testów na owcach oraz z uwagi na to, że owce mają masę ciała i serca podobną do ludzkiej, Whitaker ustalił, że minimalny prąd fibrylacyjny jest wprost proporcjonalny do masy ciała i masy serca.
Dalsze badania danych z testów na owcach wykazały, że fibrylacja była funkcją fazy cyklu serca w momencie wystąpienia wstrząsu oraz funkcją czasu trwania wstrząsu. Whitaker stwierdził, że fibrylacja przy wstrząsie trwającym 0,1 sekundy wymagała 10 razy większego prądu niż przy wstrząsie trwającym 3 sekundy.
Whitaker wykreślił następnie 3-sekundowe prądy fibrylacyjne dla różnych w pełni rozwiniętych zwierząt jako funkcję masy ciała i masy serca. Whitaker założył następnie, że minimalna wartość takiej krzywej reprezentuje człowieka. Whitaker dalej założył, że minimalny prąd fibrylacyjny dla różnych wag ciała i serca jest stałym stosunkiem, pod warunkiem, że czas trwania wstrząsu jest taki sam procent cyklu serca, a wstrząs jest inicjowany w tym samym punkcie cyklu serca.
Korzystając z tych założeń i danych, Whitaker ustalił, że minimalny 3-sekundowy prąd fibrylacyjny dla 125-funtowej wagi ciała wynosi 126 miliamperów, a dla 20-funtowej wagi ciała wynosi 31 miliamperów. (Dwadzieścia funtów przyjmuje się jako średnią wagę dwuletniego dziecka.)
Korzystając z tych liczb, Whitaker określił stosunek 31:126 dla minimalnych prądów fibrylujących dla wagi ciała 20 i 125 funtów.
Korzystając z tego stosunku i biorąc pod uwagę procent czasu na pełne uderzenie serca, wagę ciała i wagę serca, Whitaker był w stanie skonstruować „pochodną krzywą czasu kontaktu w stosunku do minimalnego prądu fibrylującego dla dwuletniego dziecka”. Krzywa ta była zbliżona do prostokątnej hiperboli. Patrz „Wykres 3” Whitakera na Rysunku 3.
Rysunek 3
Następnie Whitaker arbitralnie ustalił maksymalne natężenie prądu na 65 miliamperów, maksymalną moc wyjściową na 4 miliamperosekundy, a maksymalny okres „włączenia” na 0,2 sekundy. Ta krzywa „Czas kontaktu kontra dopuszczalne natężenie prądu” była 6-krotnie mniejsza od krzywej minimalnego prądu fibrylacji. Patrz „Wykres 4” Whitakera na rysunku 4.
Wykres 4
Whitaker doszedł do wniosku, że:
- maksymalny bezpieczny prąd ciągły wynosi 5 miliamperów, a
- maksymalny czas trwania jakiegokolwiek prądu nie powinien przekraczać krzywej 4 miliamperów na sekundę.
OKRES WYŁĄCZENIA
W czasie, gdy Whitaker prowadził badania, kontrolery ogrodzenia dostarczały kolejne wstrząsy w około 1-sekundowych odstępach. Whitaker musiał określić minimalny okres „wyłączenia”, który pozwoliłby osobie uwolnić się z ogrodzenia.
UL przeprowadził testy, w których napięcie było nagle wywierane na osobę, a czas do uwolnienia był rejestrowany. Test ten został uznany za reakcję „mimowolną”. Whitaker zauważył, że czas do odebrania wrażenia jest odwrotnie proporcjonalny do intensywności bodźca.
Whitaker badał również inne testy czasu reakcji. Większość danych z tych innych testów dotyczyła „dobrowolnych” reakcji na bodźce takie jak dotyk, bodźce wzrokowe lub słuchowe. Whitaker zauważył również, że skurcz mięśni związany z dc miał tendencję do odrzucania ofiary od przewodnika, podczas gdy skurcz mięśni związany z ac miał tendencję do bycia niemożliwym do puszczenia.
W związku z tym Whitaker doszedł do wniosku, że okres „wyłączenia” dla kontrolerów ac powinien wynosić 0.90 sekund, a dla kontrolerów prądu stałego powinien wynosić 0,75 sekundy.
STRAJK
Whitaker badał również, czy strach wywołany przypadkowym kontaktem z „bezpiecznym” ogrodzeniem może mieć negatywny wpływ na serce lub wywołać migotanie komór. Autorytety medyczne, z którymi się konsultował, nie były w stanie przewidzieć takiego zdarzenia. Jeden z autorytetów posunął się nawet do stwierdzenia, że tak słaby wstrząs nie był w stanie wywołać ani przerażenia, ani zaskoczenia.
Sugeruję, że z pracy Whitakera można wyciągnąć pewne wnioski. Po pierwsze, Whitaker skupił się raczej na różnych urazach spowodowanych porażeniem prądem niż na zgodności z normami. Oczywiście w tamtym czasie nie istniały żadne normy. Dzisiaj, kiedy analizujemy nową sytuację związaną z bezpieczeństwem, wydaje się, że robimy to w odniesieniu do normy, a nie do obrażeń.
Po drugie, Whitaker wykonał wiele pomiarów, ale wykorzystał tylko minimalne, najgorsze znalezione wartości. Ten rodzaj pesymizmu jest naprawdę konieczny w dziedzinie bezpieczeństwa. Myślę, że zbyt często mamy tendencję do używania prawdopodobieństwa i rozkładów normalnych zamiast wartości najgorszego przypadku.
Po trzecie, Whitaker czyni wiele założeń i arbitralnych decyzji, zwłaszcza dotyczących zwierząt reprezentujących ludzi. Sugeruję, że musimy pamiętać, że wartości przedstawione przez Whitakera nie są precyzyjne. Wiele innych wartości, których używamy w dziedzinie bezpieczeństwa, jest podobnie nieprecyzyjnych, ale traktujemy je tak, jakby były precyzyjne.
Na koniec stwierdzam, że nie prowadzimy już takich badań. Kolega, J. F. Kalbach, ukuł termin BOGSAT, oznaczający „Bunch Of Guys Sitting Around Talking”, aby opisać, jak kiedyś opracowano konkretną krzywą. Nie było żadnych podstaw inżynierskich ani fizycznych dla tej krzywej. Była to czysta arbitralność. Sugerowałbym, że nasze normy bezpieczeństwa zawierają zbyt wiele wymagań z procesu BOGSAT.
ACKNOWLEDGMENTS
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, upuścił kopię tego Biuletynu UL na moje biurko, pytając, czy go przeczytałem. Widziałem i czytałem Biuletyn wiele lat temu, więc kopia po prostu siedziała na moim biurku przez wiele miesięcy. W końcu podniosłem go i zacząłem czytać. Byłem pod wrażeniem tej pracy i pomyślałem, że ją dla Was zrecenzuję.
Chcę również podziękować Henry’emu Jonesowi, konsultantowi ds. bezpieczeństwa produktów, za jego uwagi na temat ogrodzeń elektrycznych. Podziękowania również dla Tima Kramera z Hewlett-Packard Company za przygotowanie histogramów oporu ciała.
Richard Nute jest konsultantem ds. bezpieczeństwa produktów zaangażowanym w projektowanie bezpieczeństwa, produkcję bezpieczeństwa, certyfikację bezpieczeństwa, normy bezpieczeństwa i dochodzenia kryminalistyczne.
Zdjęcie autorstwa Tomása Fano 
.